Физико-химические свойства пива

 

1.2.4.2. Метаболизм дрожжей.

Знания о метаболизме (обмене веществ) дрожжей имеют для пивовара фундаментальное значение, так как они позволяют решающим образом влиять на качество пива. При этом особый интерес представляют:

• сбраживание сахара и метаболизм углеводов;
• метаболизм азотистых веществ;
• метаболизм жиров;
• метаболизм минеральных веществ.

Сбраживание сахаров. Дрожжи — единственный живой организм, способный и готовый при нехватке воздуха заменить энергетически более выгодное дыхание на брожение.

Все живые организмы получают энергию благодаря дыханию. Дыхание начинается с расщепления глюкозы — этот процесс проходит в цитоплазме (цитозоле) и называется гликолиз (рис. 1.3). При этом после нескольких сложных промежуточных реакций возникает пируват (пировиноградная кислота), который затем превращается в этанол (спирт) и СО₂.

Гликолиз с его незначительным выходом энергии (2 АТФ на моль глюкозы) возник, как предполагают, в те времена, когда на Земле совсем или почти  не было кислорода. Гликолиз протекает во всем объеме цитоплазмы. При дыхании пируват транспортируется в митохондрии и сжигается до С0₂ и Н₂0 с несравненно большим энергетическим выходом (З8 АТФ/моль).

 

 

 

Рисунок 1.3. Схема спиртового брожения по Эмбдену-Мейергофу-Парнасу.

 

Возможность сбраживать пируват имеют только дрожжи, однако при наличии кислорода брожение сильно замедляется или совсем прекращается (эффект Пастера (Pasteur). С другой стороны, если концентрация сахара в среде превышает 0,1 г/л, то замедляется работа дыхательного ферментного комплекса и вместе с дыханием происходит брожение (эффект Кребтри (Crabtree)).

Суммарно процесс спиртового брожения выражается следующим уравнением:

C₆H₁₂O₆ → 2 - C₂H₅OH + 2 – CO₂,

∆G = -230 кДж

Если количественно подсчитать возникающие продукты с учетом их атомных масс, то получится следующее отношение:

C₆H₁₂O₆ → 2 - C₂H₅OH + 2 – CO₂

                                                          C: 72                  48                    24

                                                          H: 12                  12

                                                          O: 96                  32                    64

                                                           180                    92                    88

Из одного моля глюкозы (180 г) при спиртовом брожении возникает 92 г спирта и 88 г С0₂. Это означает, что сахар по массе практически в равной степени разделяется на спирт и С0₂. При этом объемная доля углекислоты по сравнению со спиртом несравнимо больше, так как газы обладают существенно меньшей плотностью.

Метаболизм азотистых  веществ.  Дрожжевая клетка на 35 -60% (в пересчете на сухое вещество) состоит из белков, поэтому для строительства нового клеточного вещества ей необходим азот, который представлен в сусле (прежде всего в виде аминокислот). Дрожжи усваивают только низкомолекулярные аминокислоты с количеством углеродных атомов не более 4, причем эти аминокислоты потребляются дрожжами в определенной последовательности, на которую пивовар, конечно, не может оказывать влияние. Особое значение для дрожжей имеет NH₂-группа - аминогруппа, которая отщепляется и используется для строительства клеточных белков (свободный α-аминный азот, FAN). При этом из аминокислоты после дезаминирования (отщепления и перемещения аминогруппы), декарбоксилирования (удаления СО2) и восстановления (удаления кислорода) возникает высший спирт, который выделяется во внешнюю среду (механизм Эрлиха (Ehrlich)) как побочный продукт брожения (рис. 1.4). Приведенный рисунок поясняет процесс превращения аминокислот. Радикал R обозначает цепочку (СН₂)_n+Н.

 

Рисунок 1.4. Превращения аминокислот.

 

Достаточным считается наличие свободного α-аминного азота (FAN) в количестве 200-230 мг/л (в пересчете на 12%-ное сусло). Эта величина всегда достигается при работе с хорошо растворенным солодом; сусло же, полученное с применением несоложеного зерна или сахара, требует контроля и особого к себе отношения (например, более длительной белковой паузы при затирании). Потребление аминокислот из сусла происходит сквозь белки пор клеточной стенки. Предварительно аминокислоты собираются и накапливаются во внешней сфере, из которой они по мере необходимости транспортируются во внутреннюю сферу, имеющую постоянные размеры. Здесь происходит перестраивание аминокислот (переаминирование) и строительство клеточных белков.

Таким образом, метаболизм азотистых  веществ имеет большое значение для качества пива, так как возникающие в этом процессе продукты возвращаются во внешнюю среду и оказывают влияние на стабильность, вкус, пеностойкость и другие потребительские свойства пива.

Метаболизм жиров.  Жиры возникают из протеинов и фосфора в форме фосфолипидов клеточных мембран, расположенных вокруг клетки и вокруг органелл внутри клетки. Дрожжи во время брожения в 4-6 раз увеличивают свою массу — должно быть синтезировано соответствующее количество липидов, при этом для синтеза липидов необходим кислород.

Дрожжи усваивают жирные кислоты  из сусла, хотя могут их синтезировать  самостоятельно. Синтез начинается с пирувата (пировиноградной кислоты) посредством активации уксусной кислоты. Дрожжи также в состоянии образовывать и ненасыщенные жирные кислоты, имеющие большое влияние на гибкость клеточной мембраны; для этого синтеза также необходим кислород. Если у дрожжевой клетки слишком мало длинноцепочечных ненасыщенных жирных кислот, то способность клеточной мембраны пропускать вещества из окружающей среды сильно уменьшается, а потребление аминокислот может вообще прекратиться.

Метаболизм азотистых веществ преобладает над метаболизмом жиров, который имеет место только тогда, когда источники азота для синтеза белков уже исчерпаны. Так как, с другой стороны, метаболизм жиров тесно связан с кислородом, то решающее значение для синтеза жирных кислот приобретает хорошее и достаточное аэрирование в начале брожения.

Синтезированные дрожжами длинноцепочечные жирные кислоты нельзя рассматривать как отрицательно влияющие на вкусовую стабильность пива, поскольку они крепко связаны с клеточными мембранами. Опасность ухудшения вкуса возникает только в случае автолиза, так как свободные ненасыщенные кислоты обладают высокой способностью вступать в реакцию.

Метаболизм углеводов. Дрожжи потребляют из сусла моносахариды (глюкозу и фруктозу), дисахариды (мальтозу и сахарозу), трисахарид мальтотриозу и сбраживают их именно в такой последовательности. Известно, что 98% сахара уходит на брожение и только 2% — на дыхание.

Очень небольшое количество мальтозы (около 0,25%) дрожжи запасают как резервный углевод. Важнейший запасной углевод — это гликоген, полимер глюкозы, синтезирующийся и хранящийся в цитоплазме в форме характерных скоплений. Гликоген потребляется дрожжами перед началом брожения как первичный источник энергии, и поэтому его количество значительно уменьшается в первые 10- 12 часов после введения дрожжей в сусло, а потом вновь возрастает. Масса накопленного в ходе брожения гликогена может составлять до 30% массы клетки (в пересчете на сухое вещество). Во время хранения дрожжей перед последующим использованием количество гликогена значительно уменьшается, причем тем сильней, чем дольше и чем при более высокой температуре хранятся дрожжи. При холодном хранении гликоген в значительной степени сохраняется, и это имеет большое влияние на жизненную силу дрожжей.

Наряду с гликогеном дрожжи накапливают до 6% трегалозы (в пересчете на сухое вещество). Трегалоза — это резервный углевод, дисахарид, состоящий из глюкозных остатков. Трегалоза находится в цитоплазме дрожжевой клетки; часть трегалозы связана с клеточной стенкой и защищает ее от внешнего воздействия. Этот резервный углевод также спустя несколько часов после начала брожения претерпевает расщепление, а затем синтез и накопление, которое протекает быстрее и интенсивнее при высокой температуре.

Запасные углеводы, особенно гликоген, имеют для дрожжей огромное значение. Дрожжевая клетка потребляет этот запас, когда снаружи не остается питательных веществ; тем самым она может получать энергию и поддерживать обмен веществ на минимальном уровне. Это как раз и происходит в конце холодного дображивания, а также при хранении дрожжей до следующего использования.

Метаболизм минеральных  веществ.  Что касается минеральных веществ, то дрожжи в первую очередь нуждаются в фосфоре и сере, а также в незначительном количестве некоторых ионов металлов.

Фосфор поступает из солода в форме фосфатов и всегда присутствует в хорошо растворенном солоде в достаточном количестве. Фосфор необходим для:образования АТФ; создания двойной фосфолипидной мембраны вокруг клетки; поддержания буферности, препятствующей сдвигу pH. Нехватка фосфора проявляется в: плохом брожении; отсутствии роста дрожжевой клетки.

Сера усваивается дрожжами из неорганических сульфатов, из серосодержащих аминокислот (метионин, цистеин) и в виде SО₂ участвует в метаболизме клеточных аминокислот. Когда рост клетки прекращается, образующийся SО₂ выделяется во внешнюю среду. Синтез SO₂ завершается только с остановкой обмена веществ.

Возникновению свободного SО₂ препятствуют все факторы, способствующие размножению дрожжей, а именно:

- сильная аэрация;

- многократный долив;

- использование активных дрожжей, богатых гликогеном.

Повышенная концентрация сульфитов  возникает при высокой температуре, длительном дображивании и недостаточной аэрации.

Особенно важно то, что ацетальдегид совместно с SО₂ способен связывать карбонилы, тем самым препятствуя старению пива. Поэтому возникающий во время брожения SО₂ оказывает положительное влияние на вкусовую стабильность пива.

Подтверждением этому служит тот  факт, что во многих странах для  стабилизации вкуса в пиво добавляются сульфиты (в Германии этот прием не разрешен в соответствии с Законом о чистоте пивоварения).

В метаболизме сернистых соединений наряду с образованием сульфитов важную, но отрицательную роль играет возникновение летучих сульфидов, в особенности диметилсульфида.

Калий особенно необходим для метаболизма углеводов и способствует протеканию всех связанных с АТФ ферментативных превращений. Также важна рН-регулирующая роль калия, связанная с обменом возникающих ионов водорода на ионы калия («ионный насос»).

Натрий активизирует ферменты и одновременно играет существенную роль для транспортировки веществ через клеточную стенку.

Магний имеет решающее значение для реакций с фосфором, прежде всего при брожении. Эту функцию не могут выполнять никакие другие ионы, кроме магния.

Кальций замедляет дегенерацию дрожжей и способствует хлопьеобразованию. Недостаток кальция может компенсироваться магнием или марганцем.

Железо и марганец являются важнейшими микроэлементами, необходимыми для дыхания и почкования.

Цинк оказывает влияние на синтез белка и для брожения имеет огромное значение. Недостаток цинка приводит к вялому брожению; потребность в нем лежит в пределах 0,1-0,15 мг/л сусла. Цинк является тем микроэлементом, в котором чаще всего испытывают недостаток дрожжи, так как большая часть цинка остается в дробине.

Нитраты не потребляются дрожжами, но восстанавливаются в нитриты, которые являются клеточным ядом и вызывают вялое брожение и плохое размножение дрожжей. Нитраты поступает главным образом из воды - чрезмерное внесение удобрений на полях, расположенных в зоне забора воды, может привести к повышенному содержанию в ней нитратов. Для дрожжей уже опасна их концентрация в размере 20 мг/л.

Немецкий Закон о чистоте  пивоварения не допускает отдельного внесения питательных веществ. Напротив, при производстве пекарских дрожжей своевременное внесение аммонийных и других солей в условиях интенсивной аэрации приводит к огромному ускорению процесса их размножения (накопления биомассы). Это свидетельствует о том, что дрожжи активно образуют новое клеточное вещество, если в их распоряжении в достаточном количестве имеются все необходимые микро- и макроэлементы (прежде всего кислород).

1.2.4.3. Образование и расщепление побочных продуктов брожения.

Во время брожения дрожжи выделяют в пиво целый ряд продуктов  метаболизма, которые претерпевают количественные и качественные изменения, частично реагируя друг с другом. Побочные продукты брожения имеют решающее значение для качества готового пива, поэтому их образование и расщепление нужно рассматривать вместе с метаболизмом дрожжей. Вместе с тем оценивать эти продукты следует также с позиции пивовара, который с помощью известных технологических приемов должен пытаться поддержать их концентрацию в оптимальных пределах.

Различают (см. рис. 1.5):

Вещества, формирующие букет молодого пива (диацетил, альдегиды, сернистые соединения). Они придают пиву нечистый, зеленый, незрелый вкус и запах и при повышенной концентрации отрицательно влияют на качество пива. Эти вещества в ходе брожения и созревания могут быть удалены из пива биохимическим путем, в чем и состоит цель созревания пива.

Вещества, формирующие букет готового пива (высшие спирты, эфиры). Они в значительной мере определяют аромат пива; их наличие в определенной концентрации является предпосылкой для получения качественного пива. Эти вещества, в отличие от первой группы, не могут быть удалены из пива технологическим путем.

Рисунок 1.5. Изменение концентрации побочных продуктов в ходе брожения и созревания

а - вещества, формирующие букет готового пива,

б - вещества, формирующие букет молодого пива.

 

На содержание эфиров в пиве в  большей степени оказывает влияние  качества сусла, на содержание высших спиртов — сам ход процесса.

 

1.2.4.4. Другие процессы  и превращения.

Кроме образования побочных продуктов, во время брожения происходят другие процессы и превращения, которые тоже имеют большое значение. Это: